摘 要 南京地鐵南北線一期工程高架區(qū)段首次在國(guó)內(nèi)采用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的型式。本文介紹了橋梁設(shè)計(jì)情況并討論了縱向水平力的組合及對(duì)墩臺(tái)設(shè)計(jì)的影響, 給出了結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。
南京地鐵南北線一期工程南起小行,北至邁皋橋,全長(zhǎng)16. 9 km ,共13 座車(chē)站,目前已開(kāi)始修建, 預(yù)計(jì)2005 年建成通車(chē)。該線安德門(mén)站至外秦淮河區(qū)段、東井亭至邁皋區(qū)段以及小行車(chē)站與國(guó)鐵接軌區(qū)段,均為高架橋結(jié)構(gòu),總計(jì)長(zhǎng)度4. 249 km。高架橋標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu),滿足了列車(chē)在高架結(jié)構(gòu)上高速、安全的運(yùn)營(yíng)需要,以及對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面的要求。
1 高架區(qū)間自然地理狀況及設(shè)計(jì)條件高架區(qū)間的走向基本沿既有或規(guī)劃城市道路中央分隔帶行進(jìn),在道路交叉口以大跨結(jié)構(gòu)跨過(guò)。全線橋高5～12 m。根據(jù)線路需要,橋梁分為單線、雙線及三線。
經(jīng)工程勘察揭示,沿線路走向的淺部土層工程地質(zhì)變化較大,表層為松散的雜填土,以下依次為粘土、素填土、粉質(zhì)粘土、粉土、卵礫石及風(fēng)化程度不一的砂質(zhì)泥巖等。基巖埋深由南向北逐漸較深, 為9～40 m 不等。主要持力層的卵礫石承載力為250～350 kPa ,極限側(cè)阻力為70～80 kPa ,強(qiáng)風(fēng)化及微風(fēng)化砂質(zhì)泥石巖承載力為400～1 500 kPa 。線路所在地區(qū)的地震強(qiáng)度為7 度。南京地區(qū)氣候帶屬北亞熱濕潤(rùn)氣候,四季分明,年平均氣溫15. 3 ℃,最熱日平均氣溫27. 3 ℃, 最高氣溫達(dá)43 ℃,最冷日平均氣溫1. 8 ℃,最低氣溫達(dá)- 9. 3 ℃。
2 高架橋梁結(jié)構(gòu)的選型
城市軌道交通高架橋梁的選型,首先應(yīng)滿足列車(chē)安全行駛的功能要求;其次要考慮結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,并結(jié)合城市規(guī)劃、道路交通、周?chē)h(huán)境、市政管線、施工方法等一系列因素,選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)。
2. 1 孔跨確定
橋梁孔跨的選擇應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求、城市景觀、施工技術(shù)和美學(xué)等條件來(lái)綜合考慮。鑒于高架結(jié)構(gòu)平均高度為8 m 左右,因此跨度采用20～30 m 為宜。經(jīng)比較,最后選擇標(biāo)準(zhǔn)跨度為25 m。另外, 為了與并行的既有城市道路高架橋孔跨協(xié)調(diào)一致, 局部地段采用20 m 跨度。
2. 2 結(jié)構(gòu)形式
橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇,與結(jié)構(gòu)承受車(chē)輛荷載的內(nèi)力、變形,特別是無(wú)縫鋼軌與梁的相互作用內(nèi)力分析有著極其重要的關(guān)系。目前我國(guó)城市軌道交通高架橋結(jié)構(gòu)一般考慮簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁形式。而前者在上海軌道交通明珠線高架橋的運(yùn)用取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。簡(jiǎn)支梁的受力明確,受無(wú)縫鋼軌因溫度變化產(chǎn)生的附加力、特殊力的影響小,設(shè)計(jì)、施工易標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化;但其梁高較大,景觀稍差,行車(chē)條件也不如連續(xù)梁。連續(xù)梁結(jié)構(gòu)與同等跨度的簡(jiǎn)支梁相比,可以降低梁高,節(jié)省工程數(shù)量,有利于爭(zhēng)取橋下凈空,并改善景觀;其結(jié)構(gòu)剛度大,具有良好的動(dòng)力特性以及減震降噪作用,使行車(chē)平穩(wěn)、舒適, 后期的維修養(yǎng)護(hù)工作也較小。從城市美學(xué)效果來(lái)看,連續(xù)梁造型輕巧、平整、線條流暢,將給城市增色不少。但連續(xù)梁對(duì)基礎(chǔ)沉降要求較嚴(yán),特別是由于聯(lián)長(zhǎng)較大,橋上無(wú)縫鋼軌因溫度變化而產(chǎn)生的水平力很大,使得梁體與墩臺(tái)之間的受力十分復(fù)雜, 加大了設(shè)計(jì)難度。
根據(jù)南京地鐵工程地質(zhì)條件較好的情況,經(jīng)綜合考慮,采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)作為高架區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)型式,其標(biāo)準(zhǔn)跨度為3 ×25 m 及4 ×20 m。
2. 3 梁部截面形式
在設(shè)計(jì)比選中,分別考慮了箱形梁、組合箱梁、T形梁、空心板梁等可采用的梁型。其中T 形梁和組合箱梁最為經(jīng)濟(jì),其預(yù)制、運(yùn)輸、架設(shè)方便,但美觀較差,并且徐變變形大,對(duì)于無(wú)縫線路整體道床軌道結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō),存在著后期維修養(yǎng)護(hù)工作量大的缺點(diǎn)。槽形梁造型輕巧美觀,但需要較大的技術(shù)儲(chǔ)備才能實(shí)現(xiàn)。相比之下,箱形梁抗扭剛度大,整體受力和動(dòng)力穩(wěn)定性能好,外觀簡(jiǎn)潔,適應(yīng)性強(qiáng),在直線、曲線、折返線及過(guò)渡線等區(qū)間段均可采用,且施工技術(shù)成熟,造價(jià)適中。因此,結(jié)合工程沿線的環(huán)境特點(diǎn)及南京的施工條件,選擇了單箱、單室等截面斜腹式箱梁。箱形截面的主要尺寸見(jiàn)表1 ,其外型見(jiàn)圖1。
表1 箱形截面主要尺寸表cm
項(xiàng)目雙線單線25 m跨度梁高140 140 20 m跨度梁高120 120 頂板寬900 520 底板寬440 220 頂板厚18 18 底板厚20～30 20～30 腹板厚30～40 25～35
圖1 高架橋梁橫斷面圖
2. 4 墩臺(tái)及基礎(chǔ)
高架橋墩柱的型式與梁高、墩高、梁寬、橋下道路、規(guī)劃用地、作用荷載及地震烈度等因素有關(guān)。南京地鐵高架橋結(jié)構(gòu)一般位于城市道路中央分隔帶上,因此在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡量采用輕巧、線條流暢的結(jié)構(gòu),增加橋下行車(chē)和行人視覺(jué)的通透感非常重要。經(jīng)與城市規(guī)劃部門(mén)等單位的多次研究比選,參考國(guó)外有關(guān)實(shí)例,最終確定全線采用獨(dú)柱T 形墩。它具有滿足結(jié)構(gòu)受力要求、占地面積小、輕巧美觀、線條流暢的優(yōu)點(diǎn)。其單線墩身截面尺寸為1. 5 m ×1. 5 m ,雙線為1. 5 m ×2. 0 m。
根據(jù)地鐵線路經(jīng)過(guò)區(qū)間的工程地質(zhì)中基巖埋深變化較大的特點(diǎn),以及橋上整體道床無(wú)縫線路對(duì)橋墩的水平位移和沉降量控制非常嚴(yán)格的要求,高架橋全線采用挖孔樁和鉆孔樁兩種基礎(chǔ)形式。樁基穿透強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層,以微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為樁基持力層。挖孔樁具有施工方便、機(jī)具較少、造價(jià)低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。考慮到施工的可行性,樁長(zhǎng)20 m 以內(nèi)采用挖孔樁,樁徑1. 3 m;樁長(zhǎng)20 m 以上者采用鉆孔樁,樁徑1. 0 m。
3 荷載及結(jié)構(gòu)受力計(jì)算
3. 1 主力
主力荷載為恒載、車(chē)輛活載、列車(chē)離心力、橋上擋板與接觸網(wǎng)荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降、鋼軌伸縮力及撓曲力等。
其中: 車(chē)輛荷載采用動(dòng)- 拖單元車(chē),按6 節(jié)車(chē)輛編組,車(chē)輛軸重( P) 為160 kN。相鄰基礎(chǔ)的不均勻沉降差按1. 0 cm 考慮。
鋼軌伸縮力系由梁軌在溫度變化時(shí),產(chǎn)生不同的位移變形而產(chǎn)生。鋼軌固定區(qū)的伸縮力較小,而在伸縮區(qū)內(nèi)的數(shù)值很大。經(jīng)計(jì)算,單根軌伸縮力最大值達(dá)到280 kN ,成為橋墩設(shè)計(jì)的主要控制因素。撓曲力由梁體受載撓曲時(shí)梁軌發(fā)生相對(duì)變形而引起,單根軌最大計(jì)算數(shù)值為50 kN。
3. 2 附加力
附加力主要包括制動(dòng)力(牽引力) 、列車(chē)橫向搖擺力、風(fēng)力、溫度力等。其中制動(dòng)力(或牽引力) 按豎向凈活載的15 %計(jì)算,但當(dāng)與離心力或沖擊力同時(shí)計(jì)算時(shí)按豎向靜活載的10 %計(jì)算。箱梁溫度力( T0 ) 按溫差單向及雙向組合計(jì)算。單向時(shí)T0 = 20 ℃;雙向組合時(shí)T0 = 16 ℃。箱梁降溫溫差按- 10 ℃計(jì)。
3. 3 特殊荷載
本高架區(qū)間的特殊荷載主要為地面汽車(chē)撞擊
